罗杰·彭罗斯究竟做了什么工作而获得了2020年诺贝尔物理学奖

每年10月国庆节是中国人最开心的时候。但对搞科学研究的人而言，每年10月还有一个更期待的大事，那就是“诺贝尔奖”揭晓季。这是全科学领域内的大事，特别是对搞自然科学研究的人来说。众所周知，诺贝尔奖里最受关注，“含金量”最高的当属诺贝尔物理学奖，是物理学领域能够取得的最高荣誉。

从2000年以来，有8次的诺贝尔物理学奖授予了与天文学和天体物理学相关的研究，这也凸显了目前天文学和天体物理学的基础研究在物理领域的重要性。

10月6日，瑞典皇家科学院宣布，2020年诺贝尔物理学奖的1/2，授予英国牛津大学的数学物理学家罗杰彭罗斯。诺贝尔奖评委会给出的评价是“for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity”，意思是说“发现黑洞是广义相对论的必然预言”。

对普通大众来说，广义相对论不早就证明是对的了吗，还有什么必要为了再次证明它的正确性颁发诺贝尔奖吗？也可能，有些人认为这个评价根本就是废话一句，从这个评价中，根本就无法体现罗杰斯所在工作的意义。对罗杰彭罗斯这个人，可能没有几个人听说过。但说起他的合作者，大名鼎鼎的史蒂芬霍金（Stephen Hawking），大家就都知道了。罗杰斯原来是搞数学研究的，后来才对物理感兴趣，进而用数学的方法来研究爱因斯坦的广义相对论。2020年的诺贝尔物理学奖，主要是基于罗杰彭罗斯和霍金对黑洞“奇点定理”和“宇宙监督假设”的若干研究。

罗杰彭罗斯分享了2020年诺贝尔物理学奖的1/2

我们简单聊一聊“奇点定理”。1915年，爱因斯坦发表了广义相对论的引力场方程，这是高度耦合的非线性方程，求解极为困难。1915年12月，德国军队中一位自愿入伍，名叫史瓦西（Schwarzschild）的年轻人，求出了在真空、球对称条件下爱因斯坦场方程的第一个解。1922年，俄国物理学家弗里德曼（Friedman）求得了另一个描述各向同性均匀宇宙演化的解。科学家发现，这两个解中，都存在一个时空曲率无穷大（半径等于0）的“奇点”。奇点附近的时空会出现各种怪异的行为。我们现实宇宙是不允许奇点这种无穷大的状态存在的。后来，天文学家对大质量恒星晚期演化的进一步研究发现，黑洞的诞生过程会不可避免产生引力和物质密度无穷大的时空奇点。而黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的天体，这就自然而然带来了广义相对论的奇点问题，而这个问题，正是霍金和彭罗斯解决的。在解决奇点问题中，彭罗斯深厚的数学功底起了重要作用。1965年，彭罗斯和霍金证明了“奇点定理”，简而言之，广义相对论中奇点是不可避免的，而且普遍存在于时空中。也就是说，奇点和黑洞一样，是广义相对论的必然结论。说得通俗点，就是：时间一定是有限的。这对于科学和哲学，有着极其重要的意义。

这样，就又带来了新问题：奇点如何存在于宇宙时空中？1968年，彭罗斯提出了“弱宇宙监督假设”，认为奇点总是被包含在黑洞的事件视界内部，不会光溜溜裸露在宇宙时空中，也就是说，奇点外面穿了一层“衣服”，因而就不会对外部时空产生影响。

爱因斯坦的广义相对论自1915诞生后，经历了各种实验验证，证明是正确的。如果无法解决奇点问题，那就有理由认为广义相对论也可能在某一方面出现了问题。而彭罗斯和霍金的研究，成功解决了奇点问题。既然在广义相对论中奇点普遍存在，而且是被黑洞的事件视界包裹着的，那么黑洞自然也就成了广义相对论的必然预言！这也再次证明爱因斯坦的广义相对论是正确的。也许，如果霍金老先生还在世，估计会和彭罗斯一起得奖吧。所以说，做出出色的科研成果很重要，活得长命也很重要！

值得一提的是，在黑洞研究中，有一种提取黑洞自转能的物理机制，叫做“彭罗斯过程”，就是以罗杰彭罗斯的名字命名的。

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